一种具有膜孔结构的太阳能集热器的制造方法
【专利摘要】一种具有膜孔结构太阳能集热器，包括上端开口的保温箱，保温箱内设置有相变材料层，相变材料层的内部设置有蛇形管，相变材料层的顶部设置有圆锥状金属泡沫层，圆锥状金属泡沫层的外壁上包裹有能够透光的透明外层；相变材料层中添加有金属泡沫。本发明中金属泡沫结构大量增加了集热区域内空气的含量，将空气层划分为较小的容积，防止对流造成的热损失。太阳可以透过透明外层照射到圆锥形金属泡沫层，圆锥形金属泡沫层起到吸热器的作用，将光能转化为热能，同时透明外层还起到隔热层的作用，防止集热器内热量向外界散发。本发明可以实现太阳辐射高效吸收并快速储能的目的，可广泛应用于烘干、食品加工、或家庭供暖及做饭等。
【专利说明】一种具有膜孔结构的太阳能集热器
【技术领域】
[0001] 本发明属于太阳能【技术领域】，涉及一种能够储存能量的集热器装置，具体涉及一 种具有膜孔结构的太阳能集热器。
【背景技术】
[0002] 目前，太阳能的利用主要由热能吸收和光电转换，现在较成熟的热能吸收技术是 玻璃真空管集热器，通过真空玻璃管将采集到的太阳能转化为热能对真空玻璃管中的水进 行加热，以获得所需要的热水。但该结构的太阳能存在以下缺点：真空管内直接走水，一旦 真空玻璃管破碎，水会从真空玻璃管流出，一只真空玻璃管破碎就会导致整个集热器无法 正常工作。此外，真空玻璃管本身很脆、不承压，使其温度不能过高，温度最高到100°C。真 空管集热器热效率高达92%以上，真空保温效果好，热能损失小，但有效吸热面积小，太阳 光利用率低。
[0003] 平板式集热器有效吸热面积大，但热能损失也大。相变材料具有优良的储热性 能，将相变材料和平板集热器结合不需要额外的储热水箱，不仅可以满足建筑一体化的要 求，同时还能实现能量的持续供应以及供水的温度恒定。但是目前现有的有机物相变材 料所固有的特点是导热率小，传热太慢，导致储能效果差，同时储能效率低。特别是太阳 辐射的间断性和不连续性以及相变材料热导率低的问题，相变储能的速度非常低。专利 200810123873. 6公开了 "一种含高孔隙率泡沫金属的太阳平板集热器"，在吸热板下方设 置蛇形管、高孔隙率金属泡沫和相变材料一体化结构，实现高效快速储能，但是该专利未 能解决太阳能高效吸收的问题。如何充分利用太阳能资源，关键在于提高太阳能集热器 的能量利用率和使用率，而其核心技术则是制备一种高吸收率、低发射率、廉价的选择性吸 收结构。由于太阳光线与集热器之间的夹角随季节、时刻变化，大角度入射时，反射率接近 100% ;上下午日光偏斜时，入射光与集热管表面的夹角变得更大，吸收率进一步降低。当 前，光线垂直入射时的吸收比已经难以进一步提高，改善光线非垂直入射时的吸收比，必将 成为提高光热转化效率的关键步骤。从辐射理论可知，黑体或灰体的吸收比，与光线的入射 角度无关。自然界并不存在理想的黑体或者灰体，但是尺寸与光波可以相比的粗糙表面可 以近似为灰体，制造接近理想灰体的粗糙吸收表面是解决问题的关键。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供一种具有膜孔结构的太阳能集热器，该集热器集热效果好、储 能效率高、速度快、容量大。
[0005] 本发明为实现上述目的，采用如下的技术方案：包括上端开口的保温箱，保温箱内 设置有与保温箱内壁相接触的相变材料层，相变材料层的内部设置有蛇形管，相变材料层 的顶部设置有圆锥状金属泡沫层，圆锥状金属泡沫层的外壁上包裹有能够透太阳光的透明 外层；其中，相变材料层中添加有金属泡沫。
[0006] 所述圆锥状金属泡沫层包括若干由金属泡沫形成的圆锥状结构，每个圆锥状结构 的外壁上包裹有能够透过太阳光的透明外层，每个圆锥状结构的锥角为20?150°。
[0007] 所述圆锥状金属泡沫层中金属泡沫的孔隙率为0. 3?0. 9,孔径为0. 2?6 μ m。
[0008] 所述相变材料层中添加的金属泡沫的孔隙率为0.3?0.9,孔径为200? 2000 μ m。
[0009] 所述透明外层为导热系数为0. 1?1. 0,厚度为100?1000 μ m的塑料。
[0010] 所述圆锥状金属泡沫层中金属泡沫和相变材料层中添加的金属泡沫的材质均为 铜或者错。
[0011] 相变材料层的材质为石蜡。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果：1.红外以及可见光进入圆锥形金属泡 沫层时，波长小于泡沫孔隙表面的特征尺寸，辐射进入金属泡沫腔体并被吸收；金属泡沫结 构还大量增加了集热区域内空气的含量，将空气层划分为较小的容积，防止对流造成的热 损失。此外，透明外层的导热系数很低，增加了隔热的作用。在这一过程中，太阳可以透过 透明外层照射到圆锥形金属泡沫层，圆锥形金属泡沫层起到吸热器的作用，将光能转化为 热能，同时透明外层还起到隔热层的作用，防止集热器内热量向外界散发。2.采用相变材料 填充在保温箱中，利用潜热储能具有很大的储能能力，在相变储能和释放能量时，温度变化 小，可以实现能量的持续稳定供应。3.有机物相变材料的热导率低，传热慢，在有机物相变 材料中添加金属泡沫，能够极大的提高热导率，强化传热效果。本发明可以实现太阳辐射高 效吸收并快速储能的目的，可广泛应用于烘干、食品加工、或家庭供暖及做饭等。
[0013] 进一步的，本发明中圆锥形金属泡沫层与相变材料中添加的金属泡沫孔径逐渐增 大、一次成型，可实现太阳能高效吸收、快速存储。另一方面相变材料中添加金属泡沫还能 在有机物（石蜡）熔化过程中起到支撑集热器的作用，防止集热器的形变。
[0014] 本发明解决了太阳辐射吸收率低、热损失大的问题，同时解决了太阳辐射的间断 性和不连续性以及相变材料热导率低的问题，有效提高了太阳辐射吸收效率、降低了热损 失，同时还提高了相变储能的速度和持续供能能力，为用户节约了空间和费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明的具有膜孔结构的太阳能集热器的结构示意图；
[0016] 图2是图1中局部A的放大示意图；
[0017] 图3是图1中沿B-B线的剖视图；
[0018] 其中，1为透明外层，2为金属泡沫层，3为相变材料层，4为金属泡沫，5为保温箱， 6为蛇形管。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0020] 如图1和图2所示，本发明包括上端开口的保温箱5，保温箱由保温材料制成，保温 箱5内设置有与保温箱内壁相接触的相变材料层3,相变材料层3的内部设置有蛇形管6和 大孔径的金属泡沫4,大孔径的金属泡沫4的孔隙率为0. 3?0. 9,孔径为200?2000 μ m。 相变材料层3的顶部设置有圆锥状金属泡沫层2,圆锥状金属泡沫层2的外壁上包裹有透明 外层1透明外层1为包裹在圆锥状金属泡沫层2上的能够透过阳光的透明材料膜。其中， 所述金属泡沫层2包括若干由金属泡沫形成的圆锥状结构，每个圆锥状结构的外壁上包裹 有能够透过太阳光的透明外层，每个圆锥状结构中的锥角为20?150°。金属泡沫层中的 金属泡沫的孔隙率为〇. 3?0. 9,孔径为0. 2?6 μ m。Golombok等研究发现当光线波长小 于表面特征尺度时，辐射进入腔体并被吸收；波长较长时，入射通量类似进入平面且发射率 降低。北极熊的毛发一般直径为100-150 μ m，长度6-7cm，直径的大概1/3为中空的孔隙结 构。太阳辐射能的99%是集中在200nm至3000nm的波长范围内，其与北极熊的孔隙尺度相 当，北极熊可以有效通过毛发吸收外部的太阳光并蓄积至体内。本发明的太阳能集热器的 上部透明外层1为耐高温、低导热系数的透明塑料，包裹在圆锥形金属泡沫层上，该种结构 类似北极熊的毛发结构，光线波长小于金属泡沫孔隙表面特征尺寸，辐射进入泡沫腔体并 被吸收。同时由于金属泡沫增加了集热区域内空气的含量，并将空气层划分为较小的容积， 抑制热量的散失。此外，外层透明层的导热系数〇. 1-1.0,减小了热量向外的散失。
[0021] 在这一过程中，太阳可以透过透明外层1照射到圆锥形金属泡沫层2,圆锥形金属 泡沫层2起到吸热器的作用，将光能转化为热能，同时透明外层1还起到隔热层的作用，防 止集热器内热量向外界散发。大孔金属泡沫的孔隙率为〇. 3-0. 9,孔径为200-2000 μ m，孔 径相对较大，有利于熔化相变材料变为液体后的对流，强化液体与金属泡沫多孔骨架之间 的对流换热，同时圆锥状金属泡沫层中的金属泡沫2与相变材料层3中添加的金属泡沫4 的材质均为导热系数高的铜或者铝。圆锥状金属泡沫层中的金属泡沫与相变材料层3中大 孔金属泡沫孔径逐渐增大、一次成型，且金属泡沫由导热系数高的铜或者铝构成，可迅速将 热量传递给相变材料和蛇形管内的流体介质。相变材料层3为熔点高、相变潜热大的石蜡。
[0022] 本发明只有在圆锥状泡沫区域的孔隙率为0. 3-0. 9,孔径为0. 2-3 μ m，以及导热 金属泡沫的孔隙率为〇. 3-0. 9,孔径为200-2000 μ m，才能达到最佳集热、蓄热和保温效果。
[0023] 本发明的工作过程为：太阳光照射时透过透明外层进入圆锥状金属泡沫层中，然 后热量传递给相变材料层，相变材料层中的相变材料发生相变时，加热蛇形管中的水。本发 明可以实现太阳辐射高效吸收并快速储能的目的，可广泛应用于烘干、食品加工、或家庭供 暖及做饭等。
【权利要求】
1. 一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，包括上端开口的保温箱（5)，保温 箱（5)内设置有与保温箱（5)内壁相接触的相变材料层（3)，相变材料层（3)的内部设置有 蛇形管（6)，相变材料层（3)的顶部设置有圆锥状金属泡沫层（2)，圆锥状金属泡沫层（2) 的外壁上包裹有能够透太阳光的透明外层（1);其中，相变材料层（3)中添加有金属泡沫 ⑷。
2. 根据权利要求1所述的一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，所述圆锥 状金属泡沫层（2)包括若干由金属泡沫形成的圆锥状结构，每个圆锥状结构的外壁上包裹 有能够透过太阳光的透明外层，每个圆锥状结构的锥角为20?150°。
3. 根据权利要求1或2所述的一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，所述圆 锥状金属泡沫层（2)中金属泡沫的孔隙率为0. 3?0. 9,孔径为0. 2?6 μ m。
4. 根据权利要求1所述的一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，所述相变 材料层（3)中添加的金属泡沫（4)的孔隙率为0· 3?0· 9,孔径为200?2000 μ m。
5. 根据权利要求1所述的一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，所述透明 外层（1)为导热系数为0. 1?1. 0,厚度为100?1000 μ m的塑料。
6. 根据权利要求1所述的一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，所述圆锥 状金属泡沫层（2)中金属泡沫和相变材料层（3)中添加的金属泡沫（4)的材质均为铜或者 错。
7. 根据权利要求1所述的一种具有膜孔结构的太阳能集热器，其特征在于，相变材料 层（3)的材质为石蜡。
【文档编号】F24J2/34GK104121709SQ201410366418
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】屈治国, 周亮, 高怀斌 申请人:西安交通大学